CN104282924A - 燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环工艺系统 - Google Patents

燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环工艺系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环工艺系统，是以氢能的制备、存储与利用及燃料电池技术为核心的、结合冷热电联供技术的新型高效热力循环系统，包括焦炉煤气转化-发电子系统、燃气换热-蒸汽发电子系统和溴化锂吸收式制冷子系统。同时采用工业副产气为特色燃料，具有清洁、高效、新颖且研发及应用价值较大等优势。基于焦炉煤气(Coke Oven Gas，COG)的富氢特点和固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)的用氢特性，结合冷热电联产集成(Combined Cooling Heating and Power，CCHP)系统的能效高、用能状况合理和产能种类丰富的属性，提出燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统(COG-SOFC/CCHP)，是一项能满足用户多种能量需求的高效能源系统。

Description

燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环工艺系统
技术领域
本发明属于热力设备及其系统技术领域，特别是以煤炭焦化为基础的化工技术及综合能源供需领域。
背景技术
(1)COG合理利用技术
虽然石油、天然气已经成为当今能源供应的最主要形式，但因其储量与利用模式所限，使得煤炭的能源地位仍十分重要，煤炭在一定时间及区域内仍主导着能源行业的发展与供给产业链。与此同时，钢铁作为重工业的血液，在传统工业中必然占据相当重要的地位，而钢铁的冶炼业需要煤炭产业的支持与供应。所以，煤炭、钢铁工业仍是工业用能、耗能与产能的主要行业。中国是世界上第一焦炭生产大国，近十年来国内的焦炭生产量约占世界总产量的36％，近十五年来，中国焦炭出口量超过了世界总出口量的一半。炼焦过程每产出1吨焦炭，就伴随着430m3的焦炉煤气生成。COG的产生一般来源于煤炭加工工业和钢铁工业的上游产业，且一般均作为中间过程的副产气体生成。然而常规的焦化工业以及煤气化产业通常将COG明燃或放散，将COG进行有效的回收并综合利用的数量十分有限，这不仅浪费了大量的能源，同时也会给环境带来一定的负担。仅山西省每年白白烧掉的焦炉煤气就达300亿m3以上，相当于西气东输年输气量的2倍多。COG作为其中间副产燃气，具有取用方便、用量可控的特点。其与传统气体燃料天然气相比虽热值偏低，但生产成本较低，且其净化除杂过程可伴随产生多种化工产品。由于COG是一种含有多种气体成分的混合燃气，其用途也较为广泛，可以提取纯氢，用于高科技燃料领域；也可制取甲醇、尿素等化工产品，同时还可合成氨、二甲醚、还原铁以生产海绵铁等。考虑到COG的有效回收利用仍需一定的技术推广，相关产业链的建立和完善也需要一段时间的市场磨合，因此在现阶段只能实现COG的厂内自用或外卖待用。COG作为燃料气体直接供热力机械燃烧使用，可以使其带有的化学能释放出来，从而转化为热能以驱动功热转换设备运行，从而产生机械能，进而转换为更高品位的电能供通用的耗电工作机使用。
我国的钢铁行业及焦化工业依托煤炭行业的先天资源优势已成为战略性的重要产业；焦化工业能耗高、用能数量与种类繁多、节能降耗成为迫切需要，而焦化工业副产燃气COG的数量及能量巨大，使我国当前COG的使用现状已无法适应节能、低碳及能量梯级利用的能源主导理念。若将COG实现合理利用，可很大程度上解决或缓解以钢铁行业为主导的能源工业用能紧张的严峻形势，因此发展COG的合理利用技术，小至焦化行业本身，大至整个能源行业均具有十分重要的意义。
(2)氢能利用及燃料电池技术
燃料电池工作原理类似普通电池，通过电子的得失而产生电流。以氢氧燃料电池为例，其在阴极侧的电解质界面附近，空气中的氧气吸收电子被还原成氧离子，氧离子在电位差和氧浓度差驱动下，通过电解质移至阳极。氧离子通过电解质后在阳极与氢气发生电化学反应，生成水并放出电子。电子通过外电路移动至阴极，产生电流。燃料电池只需要有源源不断的燃料与氧化剂供给就可以连续运行，因此可以说电池是储能装置，而燃料电池是能量转化装置。大多数的传统能量转化设备，如燃气轮机、汽轮机、内燃机等是将燃料的化学能通过燃烧转化为热能，然后转化为机械能，最后转化为电能。但是燃料电池通过电化学反应直接将燃料的化学能转化为可以利用的电能和热能，不受卡诺循环的限制，因此比传统能量转化设备更高效。SOFC的高温排气(650°C-1000°C)有很大的余热利用价值，混合发电系统可以充分利用尾气，提高燃料利用率，降低污染物NOx和CO的排放。近几年来，随着SOFC的技术进步，SOFC的联合装置也得到了迅速发展。根据燃料电池和燃气轮机两个子系统的布置方法不同，SOFC-GT联合系统分为两类：顶层循环方式和底层循环方式。其顶层循环式的系统相当于利用加压燃料电池取代燃烧室向燃气轮机输入燃气，而底层循环式系统中燃料电池的样机排气通过一个换热器加热燃气轮机所需的高温高压气体。顶层循环式联合系统要求燃料电池在一定的压力下运行，从SOFC流出的未完全燃烧的气体在燃烧室中进一步燃烧然后驱动透平做功，透平的排气可以回收用来预热SOFC入口气体。而底层循环中，燃料与SOFC阴极出口气体换热后进入阳极，反应后的排气包括可燃气体进入燃烧室与空气混合燃烧，提高温度加热透平入口空气，然后作为阴极氧化剂进入SOFC参加电化学反应。SOFC可以在常压下工作，也可以在加压下工作，适当压力下工作可提高燃料利用效率，但会损害电池寿命。所以底层循环联合系统通常是在常压下工作。底层循环系统具有结构简单、投资低的特点，但相比之下，底层循环的发电效率偏低。
由于氢能是最有利用价值的二次无污染、高效可再生能源，受到日益广泛的关注。针对COG含氢量较高的特点，进一步结合COG合理利用的理念，发展以COG为燃料的SOFC系统成为氢能利用的新颖途径和可探讨性前沿方向。
(3)CCHP系统与分布式供能技术
冷热电联产是建立在总能系统理论基础上的一种多目标能源供应系统。CCHP在热电联产的基础上将制冷技术加以利用，并结合联合循环，实现冷热电三种能量的联供。CCHP符合能源按品质梯度进行利用的原则，且相对于联合循环与热电联产，CCHP将热能按品位利用的程度加以完善，从总体上将冷热电的产出及物料的分配，按能级品位更好的配合并转换使用。CCHP系统的主要组成是热能动力设备、换热设备以及安全和控制辅助设备。作为能源集成系统，其运行的主要原则主要是“温度对口，梯级利用”、“能级对口，梯级利用”。CCHP系统按照能源的供应形式可分为动力发电系统、供热系统和制冷系统。按照设备匹配流程，CCHP系统可有多种组合方式，但一般都以燃气轮机或内燃机为主要的热能动力设备，有些CCHP系统还结合燃料电池系统，更加注重清洁用能。传统的利用燃料直接发电的动力过程，有一半以上的输入能源未能有效的利用，而直接释放到环境中。这种用能方式不但造成巨大的能量损失，而且由于热能的积聚和烟气中的不良化学成分，也对环境造成了极大的压力。利用总能系统和联产联供型能量系统代替传统的电力系统，可以有效的改善这种现象。CCHP系统因其能量利用梯度大、能级匹配合理，成为现有热力系统中的一种优良的循环用能系统。此外，CCHP系统是一种分布式能源供应系统，它比单纯的发电系统和供热、制冷系统具有更好的应用价值和多功能性，且在用能和供能方面具有较好的灵活性。
先进节能技术与节能理论的快速发展，使得系统层面的节能降耗减排成为世界范围内关注的焦点；新型热力循环理论与技术的快速发展迫使我国的热物理学界必须突破新理论与新技术的基础研究阶段，使其在能源工业中得以具体应用，故结合重要工业的能源现状，着重开展相关热力循环系统研究及其可能的工程示范应用，对节能减排具有重要的理论与实践意义。
发明内容
本发明的目的是公开一种燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，基于焦炉煤气的富氢特点和固体氧化物燃料电池的用氢特性，结合冷热电联产集成系统的能效高、用能状况合理和产能种类丰富的属性，提出燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，在满足用户多种能量需求的前提下，有效地合理利用焦化工业副产燃气，具有环境友好、高效、节能、灵活等优点。
为实现上述目的，本发明的具体解决途径为：
一种燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，其包括焦炉煤气转化-发电子系统、燃气换热-蒸汽发电子系统和溴化锂吸收式制冷子系统；
焦炉煤气转化-发电子系统包括空气过滤器、固体氧化物燃料电池、空气压气机、燃烧室、燃气透平、发电装置；
燃气换热-蒸汽发电子系统包括余热锅炉、抽凝式蒸汽轮机、发电装置；
溴化锂吸收式制冷子系统包括冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器、溶液泵、减压阀、溶液热交换器、发生器。
其中，焦炉煤气转化-发电子系统中固体氧化物燃料电池具有燃料进口和净空气进口，其反应后的气体出口与燃气轮机燃烧室相连，且产生的电能直接供工业负载使用；
燃气轮机机组的压气机与燃气透平同轴布置，且与发电机组相连；压气机进口空气与固体氧化物燃料电池的净空气共用同一气源，高压空气出口通入燃烧室；
燃烧室具有高压空气进口、燃料进口和固体氧化物燃料电池的反应气体进口，其反应后的初燃气出口与燃气透平相连。燃气透平的出口烟气通入余热锅炉。
燃气换热-蒸汽发电子系统中余热锅炉具有气侧进口、气侧出口，排气直接放空；
水侧进口、水侧出口通入蒸汽轮机；蒸汽轮机与发电机组同轴布置，中间抽汽供给热用户，背压排气通入制冷装置。
溴化锂吸收式制冷子系统中制冷装置采用吸收形式，吸收剂为溴化锂浓溶液，制冷剂为水；制冷装置包括发生器、冷凝器、节流装置、蒸发器、吸收器、溶液循环泵、溶液热交换器、减压阀；
制冷装置具有吸收剂与制冷剂两个循环，工作过程均为表面式换热，两个循环的流体不相接触；
冷却水源先后通过吸收器、冷凝器，冷媒水源通过蒸发器，放热后变成冷冻水供冷用户使用。
热用户、发生器、冷用户的液流出口回液与冷凝器出口的冷却水汇到一起，经多根管线连接构成系统排水。
冷能、热能、电能的供应与控制可根据需求关系、季节或经济要求等情况的变化而做出调整；
当某一能量种类的供应需求情况较大时可增加某一子系统的并联数量以满足供应；
当某一能量种类的供应需求情况较小或无需求时，可在满足系统整体运行能够实现的条件下，减少相应功能工质的供应流量或切断功能工质的供应，完成系统的部分运行。
固体氧化物燃料电池耗用燃料及燃气轮机燃烧室补燃燃料采用工业副产燃气焦炉煤气；
炼焦工业焦炉复产粗煤气经净化工艺、加压装置及管线，通入焦炉煤气转化-发电子系统，供燃料电池重整制氢发电，以及对燃气轮机燃烧室进行补燃发电。
本发明具有以下优点、特点或积极效果：
①本发明实现了COG的合理、高效、清洁利用，通过粗煤气的简单净化工艺与加压，使得燃料电池能够有效地对COG中50％以上体积分数的氢气进行利用，并可对其中的CO、CH4等气体进行重整制氢，有效地实现对低附加值的焦化副产气进行高附加值转化，并对以SOFC和燃气轮机为核心的总能系统进行燃料供应。
②本发明有效地实现了COG富氢特点与SOFC用氢特性的结合，使得在COG合理、高附加值利用的条件下，进一步满足SOFC实现氢能有效利用及与燃气轮机的顶层循环。
③本发明的循环方式能够有效结合冷热电联产系统，实现分布式供能的用户需求，并具有灵活控制、易于紧凑布置及整合不同工业场合供能耗能要求的特点，能够满足如炼焦工业、煤炭化工等工艺复杂、能量数量与种类多的能源工业的多角度需求与发展需要。
附图说明
图1为本发明的燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统流程示意图。
具体实施方式
本发明的一种燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，该系统包括：
焦炉煤气转化-发电子系统，用于将燃料COG通过SOFC的重整用氢和燃气轮机的补燃COG实现将COG转化为高温高压的燃气，并使其通过燃气透平泄压实现发电。具体流程布置方式为：固体氧化物燃料电池(b)具有燃料进口(1)和净空气进口(3)，其反应后的气体出口(4)与燃气轮机燃烧室(d)相连，且产生的电能直接供工业负载使用；燃气轮机机组的压气机(c)与燃气透平(e)同轴布置，且与发电机组相连(f)；压气机进口空气与固体氧化物燃料电池的净空气共用同一气源，高压空气出口(5)通入燃烧室；燃烧室具有高压空气进口(5)、燃料进口(1)和固体氧化物燃料电池的反应气体进口(4)，其反应后的初燃气出口(6)与燃气透平相连；燃气透平的出口烟气(7)通入余热锅炉(g)；
燃气换热-蒸汽发电子系统，用于将透平排气的有效能量回收利用，通过单压气液余热锅炉实现高温烟气与循环水的换热，将给水转化为过热蒸汽，进而通入蒸汽轮机实现蒸汽透平的旋转发电，同时将中间抽气用于工业热用户用热，并将蒸汽轮机排气用作制冷装置的驱动热源。具体流程布置方式为：余热锅炉具有气侧进口(7)、气侧出口(8)，排气直接放空；水侧进口(9)、水侧出口(10)通入蒸汽轮机(h)；蒸汽轮机与发电机组(i)同轴布置，中间抽汽(11)供给热用户(j)，背压排气(12)通入制冷装置；
溴化锂吸收式制冷子系统，通过蒸汽轮机的排气使得发生器中溴化锂浓溶液吸热二发生出水，进而作为制冷剂在制冷主循环中实现冷媒水放热，从而制取冷量供工业冷用户用冷。具体流程布置方式为：制冷装置采用吸收形式，吸收剂为溴化锂浓溶液，制冷剂为水；制冷装置包括发生器(k)、冷凝器(1)、节流装置(m)、蒸发器(n)、吸收器(o)、溶液循环泵(p)、溶液热交换器(q)、减压阀(r)；制冷装置具有吸收剂与制冷剂两个循环，工作过程均为表面式换热，两个循环的流体不相接触；吸收剂循环为(28)、(29)、(31)、(32)，制冷剂循环为(24)、(25)、(26)、(27)、(30)；冷却水源(15)先后通过吸收器、冷凝器，冷媒水源(14)通过蒸发器，放热后变成冷冻水(20)供冷用户(s)使用；
热用户、发生器、冷用户的液流经用能后与冷凝器冷却水出口液流交汇，经多根管线连接构成系统排水。具体流程布置方式为：(13)、(16)、(21)，与(18)汇为(23)，经多根管线连接构成系统排水。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下针对本发明的系统流程图，对本发明所涉及的设备与工质进一步详细说明：
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，上述流程的详述仅为本发明的实施例之一，并非用于对本发明原则和实质的限制和局限，凡基于本发明所作的任何修改、等同替换或细节改进等，均包含本发明权利要求的保护框架之内。

Claims (10)

1.一种燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环工艺系统，包括焦炉煤气转化-发电子系统、燃气换热-蒸汽发电子系统和溴化锂吸收式制冷子系统。
焦炉煤气转化-发电子系统包括空气过滤器、固体氧化物燃料电池、空气压气机、燃烧室、燃气透平、发电装置；
燃气换热-蒸汽发电子系统包括余热锅炉、抽凝式蒸汽轮机、发电装置；
溴化锂吸收式制冷子系统包括冷凝器、节流阀、蒸发器、吸收器、溶液泵、减压阀、溶液热交换器、发生器。
2.如权利要求1所述的燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，其特征在于，焦炉煤气转化-发电子系统中固体氧化物燃料电池(b)具有燃料进口(1)和净空气进口(3)，其反应后的气体出口(4)与燃气轮机燃烧室(d)相连，且产生的电能直接供工业负载使用；燃气轮机机组的压气机(c)与燃气透平(e)同轴布置，且与发电机组相连(f)；压气机进口空气与固体氧化物燃料电池的净空气共用同一气源，高压空气出口(5)通入燃烧室；燃烧室具有高压空气进口(5)、燃料进口(1)和固体氧化物燃料电池的反应气体进口(4)，其反应后的初燃气出口(6)与燃气透平相连；燃气透平的出口烟气(7)通入余热锅炉(g)。
3.如权利要求1所述的燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，其特征在于，燃气换热-蒸汽发电子系统中余热锅炉具有气侧进口(7)、气侧出口(8)，排气直接放空；水侧进口(9)、水侧出口(10)通入蒸汽轮机(h)；蒸汽轮机与发电机组(i)同轴布置，中间抽汽(11)供给热用户(i)，背压排气(12)通入制冷装置。
4.如权利要求1所述的燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，其特征在于，溴化锂吸收式制冷子系统中制冷装置采用吸收形式，吸收剂为溴化锂浓溶液，制冷剂为水；制冷装置包括发生器(k)、冷凝器(1)、节流装置(m)、蒸发器(n)、吸收器(o)、溶液循环泵(p)、溶液热交换器(q)、减压阀(r)；制冷装置具有吸收剂与制冷剂两个循环，工作过程均为表面式换热，两个循环的流体不相接触；吸收剂循环为(28)、(29)、(31)、(32)，制冷剂循环为(24)、(25)、(26)、(27)、(30)；冷却水源(15)先后通过吸收器、冷凝器，冷媒水源(14)通过蒸发器，放热后变成冷冻水(20)供冷用户(s)使用。
5.如权利要求1所述的燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，其特征在于，热用户、发生器、冷用户的液流出口回液(13)、(16)、(21)，与冷凝器出口的冷却水(18)汇到一起(23)，经多根管线连接构成系统排水。
6.如权利要求1所述的燃烧焦炉煤气的高效燃料电池联合循环系统，其特征在于，冷能、热能、电能的供应与控制可根据需求关系、季节或经济要求等情况的变化而做出调整；当某一能量种类的供应需求情况较大时可增加某一子系统的并联数量以满足供应；当某一能量种类的供应需求情况较小或无需求时，可在满足系统整体运行能够实现的条件下，减少相应功能工质的供应流量或切断功能工质的供应，完成系统的部分运行。
7.如权利要求2所述的焦炉煤气转化-发电子系统，其特征在于，固体氧化物燃料电池耗用燃料及燃气轮机燃烧室补燃燃料采用工业副产燃气焦炉煤气；炼焦工业焦炉复产粗煤气经净化工艺、加压装置及管线，通入焦炉煤气转化-发电子系统，供燃料电池重整制氢发电，以及对燃气轮机燃烧室进行补燃发电。
8.如权利要求2所述的焦炉煤气转化-发电子系统，其特征在于，空气处理装置可以采用但不局限于空气过滤器，也可采用其他过滤方式的空气处理设备；燃气轮机与燃料电池的循环方式可以采用但不局限于顶层循环、后燃、补燃式，也可采用基于底层循环模式的循环方式；燃气轮机的补燃燃料可以使用但不局限于焦炉煤气，也可使用天然气、雾化燃油等多种类型的适应燃料。
9.如权利要求3所述的燃气换热-蒸汽发电子系统，其特征在于，余热锅炉可以采用但不局限于单压气液表面换热式，也可采用双压换热或多级换热等其他结构布置；蒸汽轮机可以采用但不局限于一次抽凝、背压排汽式，也可采用多级膨胀、抽汽、回热等多种循环方式。
10.如权利要求4所述的溴化锂吸收式制冷子系统，其特征在于，制冷装置可以采用但不局限于溴化锂吸收式制冷循环，也可采用压缩式制冷或氨水制冷等其他多种制冷模式。
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